一种可循环利用辊芯的复合辊制造工艺及设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属压力加工技术领域，特别涉及一种可循环利用辊芯的复合辊制造工艺及设备，适用于乳钢行业中复合乳辊的制造。
【背景技术】
[0002]乳辊被誉为“钢材之母”，是钢、铝、铜等金属压延生产中使金属材料产生塑性变形的工具，是决定乳机生产效率和乳材质量及经济性的重要的大型部件，是乳机乳制不可或缺的关键性部件和最主要的大宗消耗部件，其消耗成本约为乳钢生产成本的5%?15%。如果考虑因乳辊消耗而带来的生产停机、降产和设备维护增加等因素，则其所占生产成本的比重会更高。
[0003]乳机是金属压力加工生产中的重要设备，是衡量一个国家钢铁发展技术水平的显著标志。而乳辊又是乳机的主要组成部分，是乳钢生产中大量消耗的关键部件，是决定一个国家乳制技术发展水平的基本保证，是一个国家金属材料设计、材料成型技术、加工制造和热处理等基础工业综合技术水平的直观体现。在乳钢工业生产中，每一种乳材无一不是依靠乳辊的乳制而成形，这就是说“无辊不成材”，所以，乳辊的质量和作用至关重要。
[0004]乳辊质量不仅关系到乳钢生产成本和乳机生产作业率，还在很大程度上影响乳材质量。随着乳钢技术的发展，乳机速度和自动化程度不断提高，对乳辊质量特别是乳辊的耐磨性、强度及韧性等提出了更高的要求。进一步提高乳辊性能以适应乳机的需要，实现钢铁型材的节能降耗生产，是乳辊研制者面临的新目标。
[0005]我国乳辊制造业经过几十年的发展和壮大，目前已成为世界乳辊产量大国，乳辊制造技术和材质品种方面有很大的发展。在乳辊材质方面，从球墨铸铁、合金无限冷硬铸铁发展到现在的针状组织球墨铸铁、高合金无限冷硬铸铁、高铬铸铁、硬质合金、半高速钢和高速钢等。在铸造工艺方面也从常规浇铸单一材质和溢流法浇铸复合材质，发展到离心复合浇铸工艺。目前国内乳辊供应能力已达到100万吨以上，设计制造能力可以达到120?150万吨。随着我国乳钢装备的改造和不断从国外引进先进的乳机，乳机向自动化、连续化、重型化方向发展，对乳辊的组织和性能提出了更高的要求。
[0006]然而，我国自行研制的冶金乳辊乳制钢材平均消耗与发达国家相比尚有较大的差距。来自中国钢铁协会的最新统计，2014年我国钢材产量已经达到112557万吨，占全球钢产量40%以上，按照吨钢消耗乳辊1.0?1.2 kg/t钢计算，年消耗乳辊110?130多万吨，年消耗乳辊资金200亿元以上。为了满足乳钢生产的实际需要，我国每年都需要花费大量外汇进口乳辊，仅2010年进口优质乳辊约3.0万多吨，消耗外汇约2亿多美元。我国乳辊的大量消耗，造成了资源和能源的巨大浪费。另外，国外乳辊年消耗量也超过百万吨，市场需求量大。如此大的报废量无论从乳钢厂的乳制成本，还是从我国的能源和资源消耗方面来看都是一项巨大的浪费，对环境和资源造成巨大压力。因此，提高乳辊质量，延长乳辊寿命，不仅能节省大量外汇，而且还可以节省大量的乳辊材料，开发优质长寿命乳辊材料及其成形技术，不仅可满足国内需求，而且还可实现出口创汇。
[0007]目前国内外现有的乳辊，大多采用整体的铸钢乳辊和铸铁乳辊。铸铁乳辊与铸钢乳辊相比，其耐磨性较好，但是强度较差，容易断辊。为了提高乳辊表面硬度，近年来应用了乳辊的离心铸造技术，离心铸造乳辊的辊面和辊心分别采用不同成分的金属铸造，以求得乳辊表面硬度和乳辊辊身强度的统一。由于这种乳辊的制造成本高，乳辊一次性报废造成材料的极大浪费等原因，离心乳辊的应用受到极大限制。随后，出现了组合式乳辊，组合乳辊在一定程度解决了材料浪费等问题，并且组合乳辊采用耐磨合金辊套，乳辊寿命提高了很多，但是其辊轴与辊套的联接方式多采用键联接或焊接方式，在实际生产中，崩套、滚键等事故频繁发生。此外，现有发明技术制得的乳辊基本上都存在着外层材料磨损后，辊芯只有重新熔炼才能实现循环利用的问题，造成材料和能源的浪费。
[0008]目前我国现有乳辊结构除小部分特殊形状的乳辊如万能乳机水平辊、立辊，管线部分乳辊，型材矫直辊、悬臂式乳机乳辊采用循环使用分体结构乳辊外，90%以上的各类型乳辊都是整体结构。造成了乳辊材料的极大浪费。
[0009]针对组合乳辊实际应用中出现的问题，中国专利号CN1142993A公开了一种高能量组合乳辊，克服当前组合乳辊现有技术的不足，很好的解决了组合乳辊使用过程中崩套，剥落的问题。其主要是介绍了一种在制造和装配过程中依压乳力为基准对乳辊有效工作部位输入能量，使其最大限度地提高强度、刚度、抗剥落性和耐磨性的高能量乳辊。但是，经实际调查，该高能量乳辊在生产中鲜有应用，因为它存在以下缺点:该高能量组合乳辊的辊套与辊轴的装配操作过程复杂；辊套的卸载难度大；装配和卸载均要依靠专门为此产品设计的液压设备，由于整套的液压设备使得生产成本大幅升高；该高能量组合乳辊工作过程中因长期振动，辊套形变(能量)减小时，必须将乳辊卸下重新装配，费时费力；乳辊辊套卸载时易造成辊轴外表面和乳辊辊套内表面的刮伤，极大缩短了辊轴的使用寿命。中国专利CN2129657Y “预应力组合乳辊”、CN1059482A “钢铁胶粘组合乳辊工艺”、CN1092992A “组合式空心乳辊及其制造方法”、ZL02223546.9 “辊环复合乳辊”等也分别公开了制造镶套复合乳辊技术；这些组合式辊环(辊套)乳辊以各种不同方式将耐磨合金辊环(辊套)与芯轴连接在一起。他们均没有提到辊环必须是“外硬内韧”，从而在确保乳辊安全使用的前提下提高使用寿命，在实际使用中这些乳辊会存在崩套、破坏等现象，因而没有大面积推广。
[0010]随着乳钢行业技术的不断进步，为了保证乳辊使用安全性，要求乳辊在使用过程中芯部要有较高的韧性；与此同时，为了提高钢材产量与产品表面质量，钢铁企业对乳辊的使用寿命及耐磨性的要求也日益提高，这就需要乳辊工作层采用硬度高的耐磨材料。为此，国内外科技工作者一直在做辊环乳辊的探讨和实践工作。开发了镶套复合乳辊。
[0011]复合镶套乳辊是乳辊类型之一。是将辊身和辊芯及辊颈两部分用不同方法分别制作好后，采用机械镶嵌工艺通过热装过盈配合将其组装成一体，可以同时满足耐磨性和抗断裂性这两种矛盾的性能要求。占总量60%以上的辊芯可以循环应用，而占整个乳辊重量在40%以下的乳辊辊套在达到报废标准后经更换新的乳辊辊套既可以再循环应用。与传统的整体乳辊相比，复合镶套再制造乳辊不但质量好而且还能降低乳辊的成本。
[0012]目前国内外所开发的复合辊环制造工艺，大多采用离心复合铸造法制造，由于受制造工艺的限制，所制造的复合棍套内层材料均为球墨铸铁，尚无法制造钢质材料的内层。而采用镶铸工艺大多采用将复合辊套内层材料在加热炉内预热至300?800°C，放入型砂中，然后合箱浇入辊套外层复合材料，该工艺的主要缺点为:在加热炉中加热，由于加热时间长，被加热件易氧化，尽管可以通过在固体表面涂敷保护剂来保护固体表面不受氧化，但要彻底防止固体表面的氧化非常困难。另外，由于预热件从加热炉中取出到浇注，这中间的时间一般不易控制，导致复合前预热件的实际温度变化较大，无法稳定地保证复合界面的质量。而采用高温金属液对固体部分进行长时间的冲刷，加热效率非常低，既浪费大量的高温金属造成能源和材料的无谓浪费。同时由于固体部分的激冷作用，在液体金属浇入铸型后靠近固体部分的液体金属立即在固体表面凝固，这层快速凝固的金属极易出现裂纹，实际应用中裂纹扩散。
【发明内容】
[0013]本发明的目的在于针对己有技术的不足，提出一种生产工艺简单、设备投资小、生产效率高、成本低、性能好的一种可循环利用辊芯的复合辊制造工艺及设备，简化复合辊套制造工艺，提高复合辊套性能和生产效率，降低生产成本和设备投资。
[0014]解决其技术问题的设备方案是:该设备有一龙门式区域定向凝固升降设备16，在龙门式区域定向凝固升降设备6上安装有升降台17，在升降台17的上面安装有电磁感应加热器8，通过升降电机14转动升降螺杆15或液压设备带动升降台17以所设定的速度上下移动，在龙门式区域定向凝固升降设备16的侧面安装电磁感应电源控制柜19，电磁感应电源控制柜19的两个输出端通过水冷电缆20与电磁感加热器8的两端相连接，在龙门式区域定向凝固升降设备16的下部有一底座支架、在底座支架13上安装有支承底座12，在支承底座12的上面安装有水冷底水箱11，底水箱11的中心为圆形通孔，在底水箱11的上面安装有中心为圆形通孔的浇注底板10，在浇注底板10的上面安装有组合式水冷结晶器7，在水冷结晶器7的上部安装有保温圈6，辊轴芯棒5通过支承底座12、底水箱11和浇注底板12的中心圆孔固定在结晶器7的中心，在浇注底板10的一侧联接有浇铸流道3，浇铸流道3安装在底座支架13上并与浇注坐砖4相连接，浇注坐砖4上面安装有中注管2，在中注管的顶部安装有浇铸漏斗1，在浇注漏斗1的上面有浇注包18。
[0015]在水冷底水箱11的侧面分别有进水管23和出水